전위 소성과 크기 종속 파손을 고려한 SiC_p/Al2124-T4 복합재의 계층적 유한요소 모델링

서영성,김용배,Suh, Yeong-Sung,Kim, Yong-Bae 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.2

일반적으로 복합재의 강도에 대한 크기 효과는 입자강화 알루미늄 복합재 제조시, 입자와 기지재를 압밀한 후 냉각할 때 입자와 기지재 사이의 열팽창계수 차에 의하여 기지재에 펀칭되는 기하적 필수 전위와, 변형 중 입자와 기지재사이의 탄소성 강성도 차로 인해 발생하는 변형률 구배 소성으로 인한 기하적 필수 전위가 주로 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 본 논문에서는 이러한 두 종류의 기하적 필수 전위를 전위 소성 이론에 입각하여 강도로 환산한 후 계층적으로 입자 주위 유한요소 영역에 할당하여 동일한 체적비에서 입자의 크기에 따라 변화하는 복합재의 파손 거동을 효과적으로 예측하였다. 이 방법을 적용함으로써 구형입자의 경우 간단한 축대칭 유한요소 모델링과 실험데이터를 연계하여 입자강화 복합재의 입자 크기 의존 강도 및 파손 효과를 수월하게 예측할 수 있음을 보였다. 또한 서로 다른 입자의 체적비 및 크기에 대하여SiC강화 알루미늄 2124-T4 복합재의 강도와 파손 거동이 분명한 차이가 있음을 보인다. The strength of particle-reinforced metal matrix composites is, in general, known to be increased by the geometrically necessary dislocations punched around a particle that form during cooling after consolidation because of coefficient of thermal expansion (CTE) mismatch between the particle and the matrix. An additional strength increase may also be observed, since another type of geometrically necessary dislocation can be formed during extensive deformation as a result of the strain gradient plasticity due to the elastic-plastic mismatch between the particle and the matrix. In this paper, the magnitudes of these two types of dislocations are calculated based on the dislocation plasticity. The dislocations are then converted to the respective strengths and allocated hierarchically to the matrix around the particle in the axisymmetric finite-element unit cell model. The proposed method is shown to be very effective by performing finite-element strength analysis of $SiC_p$/Al2124-T4 composites that included ductile failure in the matrix and particlematrix decohesion. The predicted results for different particle sizes and volume fractions show that the length scale effect of the particle size obviously affects the strength and failure behavior of the particle-reinforced metal matrix composites.

변형률 구배 소성을 고려한 입자 강화 복합재의 크기 종속 강화 모델링

서영성(Yeong Sung Suh),박문식(Moon-Shik Park),송승(Seung Song) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.11

A finite element modeling of dislocation punching is introduced to calculate strengthening of particle reinforced aluminum composites. Taylor dislocation model combined with strain gradient plasticity around the SiC particle is used to take account of the size dependency for different volume fractions of particle. The strain gradient is taken from the equivalent plastic strain calculated during cooling of the spherical unit cell, when the dislocation punching due to CTE mismatch is activated. Enhanced yield stress is observed by including strain gradients in an average sense over the punched region. The tensile strength of the SiC<SUB>p</SUB>/Al 356-T6 composite is predicted finite element analysis of unit cell for various sizes and volume fractions of the particle. Predicted strengths are in good agreement with the experimental data. Also, particle size dependency is clearly exhibited.

보론강 핫 프레스 포밍 공정에 대한 가상생산 응용 및 검증

서영성(Yeong Sung Suh),지민욱(Min Wook Ji),이경훈(Kyung Hoon Lee),김영석(Young Suk Kim) 한국자동차공학회 2010 한국 자동차공학회논문집 Vol.18 No.2

A virtual manufacturing system that is composed of JMatPro, a material modeler and DEFORM<SUP>TM</SUP>-HT, a finite element package is applied to the hot press forming process: high temperature material properties for each phase such as flow stress, elastic modulus, Poisson’s ratio, thermal expansion coefficient, in addition to TTT curve are predicted by JMatPro and taken into DEFORM<SUP>TM</SUP>-HT to predict the material behavior considering phase transformation and heat transfer simultaneously. In order to verify the accuracy of computation, the residual stress and the springback were compared with the experimental measurements. Both the predicted and measured principal residual stresses and amount of springback were in good agreement. It was also found that the residual stresses generated from hot press forming are not negligible as it has been generally assumed, although the springback deformation is quite small.

전위 펀치 영역 모델링에 의한 입자 강화 금속지지 복합재의 입자 크기 의존 파손 해석

서영성(Yeong Sung Suh) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.3

입자강화 금속기지 복합재는 입자와 기지재간의 열팽창계수 차이와 탄소성 강성도의 차이에 따라 변형률 구배가 발생하고 이로 인한 기하적 필수 전위가 입자 주위에 형성됨에 따라 변형시 입자 크기 의존 길이 스케일에 의한 강화 효과를 가지고 있다. 본 연구에서는 유한요소법을 활용하여 복합재를 압밀 성형할 때 입자 주위에 펀칭되는 기하적 필수 전위에 의한 강도 증가를 입자 주위 영역에 부가시켜 입자 의존 길이 스케일이 복합재의 입자 경계 파손 및 기지재의 연성 파손에 미치는 영향을 살펴 보았다. 파손 거동은 입자의 크기와 체적비를 달리하고, 특히 분리 에너지와 강도 등의 경계 파손 물성값을 변화시켜가는 매개변수적 계산을 수행하여 관찰하였다. 두 개의 파손 모드는 서로 영향을 미치면서 입자 크기 의존 길이 스케일에 밀접하게 연관됨을 보였다. 즉 입자의 크기가 작은 경우에 입자의 크기가 큰 경우에 비하여 입자를 둘러싸고 있는 기하적 필수 전위가 상대적으로 더 집적됨으로 인해 입자경계와 기지재의 연성 파손에 의한 복합재의 파손 개시가 지연되고 파손이 진행되는 동안의 유동 응력 감소도 상대적으로 작은 것을 보였다. Particle-reinforced metal matrix composites exhibit a strengthening effect due to the particle size-dependent length scale that arises from the strain gradient, and thus from the geometrically necessary dislocations between the particles and matrix that result from their CTE(Coefficient of Thermal Expansion) and elastic-plastic mismatches. In this study, the influence of the size-dependent length scale on the particle-matrix interface failure and ductile failure in the matrix was examined using finite-element punch zone modeling whereby an augmented strength was assigned around the particle. The failure behavior was observed by a parametric study, while varying the interface failure properties such as the interface strength and debonding energy with different particle sizes and volume fractions. It is shown that the two failure modes (interface failure and ductile failure in the matrix) interact with each other and are closely related to the particle size-dependent length scale; in other words, the composite with the smaller particles, which is surrounded by a denser dislocation than that with the larger particles, retards the initiation and growth of the interface and matrix failures, and also leads to a smaller amount of decrease in the flow stress during failure.

탈착식 자전거 캐리어용 흡착 패드의 실험 및 전산적 방법을 활용한 구조해석

서영성(Suh, Yeong Sung),임근원(Lim, Geun Won) 한국산학기술학회 2016 한국산학기술학회논문지 Vol.17 No.3

자동차에 부착하여 사용하는 자전거 캐리어 지지용 흡착 패드는 운행 중 임의의 진동과 원심력과 같은 과도한 동적 하중을 받을 수 있어, 구조 안전성의 검토가 중요하다. 이를 위해서는 유체-구조 연계 유한요소해석을 이용하여 패드의 하부 압력이 패드에 가해지는 하중이나 모멘트의 변화에 따라 실시간으로 변화하는 것을 고려하여야 하나, 실제 상황의 모델링이 어렵고 계산을 위한 소프트웨어 비용이 높은 단점이 있기도 하지만, 정확한 결과를 얻기도 어렵다. 따라서 이 논문에서는 실험과 전산적인 방법을 조합하여 활용하는 새로운 방법을 제시한다. 이는 변화하는 하중에 따라 패드 하부의 압력과 접촉 면적을 실시간으로 측정하고 여기서 얻어진 데이터를 비선형 탄성 유한요소해석에 입력하여 활용하는 방법이다. 개발 단계의 제품 형상으로 실험 및 계산을 수행한 결과, 마운트 패드는 축 방향 하중에 대해서는 비교적 안전하나, 회전 하중이 과도하게 작용할 경우 패드가 바닥으로부터 분리되거나 패드 표면에 국부적인 손상이 일어날 수 있어 안전 여유가 많지 않음을 보여주었다. 작용하는 하중의 크기 및 형태에 따라 변화하는 접촉 거동을 예측하는 결과는 실험 결과와 잘 일치하였다. 본 연구에서 제안하는 해석 방법은 유사한 흡착 패드 시스템을 설계할 때 유용하게 활용될 수 있을 것으로 보인다. As the suction pad-supporting bike carrier attached to a car may be subject to an excessive dynamic load due to random vibrations and centrifugal forces during driving, its structural safety is of great concern. To examine this, the finite-element method with a fluid-structure interaction should be used because the pressure on the pad bottom is changed in real time according to the fluctuations of the force or the moment applied on the pad. This method, however, has high computing costs in terms of modeling efforts and software expense. Moreover, the accuracy of computation is not easily guaranteed. Therefore, a new method combining the experiment and computation is proposed in this paper: the bottom pressure and contact area of the pad under varying loads was measured in real time and the acquired data are then used in the nonlinear elastic finite-element calculations. The computational and experimental results obtained with the product under development showed that the safety margin of the pad under the axial loading is relatively sufficient, whereas with an excessive rotational loading, the pad is vulnerable to separation or a local surface damage; hence, the safety margin may not be secured. The predicted contact behavior under the variation of the magnitude and type of the loading were in good agreement with the one from the experiment. The proposed analysis method in this study could be used in the design of similar vacuum pad systems.

증기발생기 전열관의 정밀성형을 위한 스프링 백 저감에 관한 연구

서영성(Y. S. Suh),김용완(Y. W. Kim),김종인(J. I. Kim) 한국소성가공학회 2001 한국소성가공학회 학술대회 논문집 Vol.2001 No.10

가상생산기법을 활용한 제진 오일팬의 성형해석

서영성(Y.S.Suh),이정열(J.Y.Lee),강보식(B.S.Kang),김종원(J.W.Kim),이종문(J.M.Lee),안병직(B.J.Ahn) 한국자동차공학회 1995 한국자동차공학회 춘 추계 학술대회 논문집 Vol.1995 No.6_2

The virtual manufacturing technique was applied to a forming of the the vibration damping oil pan. Experiments necessary for the computation such as the tensile test and the formability test were also performed. It was shown that the forming of an oil pan can be improved by controlling process parameters virtually inside the computer before the actual die tryout is performed. From the virtual die tryout, it was suggested that the two-step forming process of the oil pan may be reduced to a single step.<br/>

새로운 성형성 시험기에 대한 모의 성능 검증

서영성(Y. S. Suh) 한국자동차공학회 1993 한국자동차공학회 춘 추계 학술대회 논문집 Vol.- No.-

The performance of the newly proposed formability test, the O.S.U. Formability Test (OSUFT) has been verified using 3-0 finite-element method. For comparison, the QC-type Limiting Dome Height (LDH) test was also modeled. Comparison of LDH simulation showed that the OSUFT will produce more proportional strain path and larger plane-strain area near the predicted failure region. The OSUFT was also shown to have little sensitivity to the lubrication state and material anisotropy, which will contribute to a better repeatability.<br/>

입자 강화 금속기지 복합재의 연속체 강도해석을 위한 전위 펀칭 이론의 전산적 평가

서영성(Yeong Sung Suh),김용배(Yong Bae Kim) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.3

입자 강화 복합재료는 입자의 크기가 감소할수록 그 항복강도가 증가하므로, 입자의 크기에 대한 길이 스케일을 보인다. 항복강도에 대한 이러한 길이 스케일은 복합재가 압밀된 후 냉각될 때 기지재와 입자간 열팽창계수의 상이함에 의하여 입자 주위 기지재에 펀칭되는 기하적 필수 전위가 주된 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 입자 강화 복합재의 연속체 강도해석 모델링에 사용할 수 있는 두 가지 전위 펀칭 이론들에 대하여 전산적으로 검토하였다. 즉, 입자 주위에 펀치되는 전위 영역의 크기를 계산하는 대표적인 두 가지 이론들인 Shibata 등 및 Dunand and Mortensen 이론으로부터 전위 펀치 영역의 크기를 계산하고, 이를 유한요소해석에 적용하여 복합재의 항복 강도를 예측하였으며 실험값과 정성적으로 비교하였다. 본 연구에서 입자가 매우 작은 경우, 즉, 입자의 크기가 2?m이하인 경우에 두 이론 간에 극명한 차이를 보여주었으며, Shibata 등의 정식이 정성적으로 실험값에 더 근사한 것을 확인하였다. The yield strength of particle-reinforced composites increases as the size of the particle decreases. This kind of length scale has been mainly attributed to the geometrically necessary dislocation punched around the particle as a result of the mismatch of the thermal expansion coefficients of the particle and the matrix when the composites are cooled down after consolidation. In this study, two dislocation-punching theories that can be used in continuum structural modeling are assessed numerically. The two theories, presented by Shibata et al. and Dunand and Mortensen, calculate the size of the dislocationpunched zone. The composite yield strengths predicted by finite element analysis were qualitatively compared with experimental results. When the size of the particle is less than 2μm, the patterns of the composite strength are quite different. The results obtained by Shibata et al. are in qualitatively better agreement with the experimental results.

길이 스케일을 고려한 입자강화 복합재의 연속체 강도해석

서영성(Yeong Sung Suh),Shailendra P. Joshi,K. T. Ramesh 대한기계학회 2009 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2009 No.5

A continuum based microstructural modeling of particle-reinforced composites including length-scale is presented. The proposed method features finite-element representation of the particles in a matrix along with their size dependent strengthening due to geometrically necessary dislocations (GND), which is punched to the matrix by the plastic relaxation of residual stresses caused by coefficients of thermal expansion mismatch between the particle and the matrix. Results show that predicted 0.2% offset yield stresses are increasing with smaller inclusions and larger volume fractions and this length-scale effect on the enhanced strength can be observed by explicitly including GND region around the particle. It was also observed from the effective plastic strain contours that the failure may occur in four different patterns inside and outside the GND boundaries. The proposed method may be easily utilized for the strength design of particle-reinforced composites.